邹红 杨红 崔晓微 安向明 大庆师范学院计算机科学与信息技术学院

虚拟仿真场景及交互漫游系统*

邹红 杨红 崔晓微 安向明 大庆师范学院计算机科学与信息技术学院

以大庆师范学院主校区为原型，利用3dsMax构建三维模型，借助VR—Platform引擎交互漫游的功能优势，生成三维虚拟场景漫游系统，可以实现多种漫游效果，既可以制作场景展示效果，又可以用于特殊场景的培训、演练等。此系统制作的经验和方法，可以广泛地应用于油田各个行业虚拟漫游系统的制作中，尤其是制作虚拟岗位培训，将是一种高水平、高效率、低费用的培训模式，虚拟现实技术在油田建设中有着广阔的应用前景。

虚拟现实；数据；漫游系统；建模

1 虚拟场景的构建

开发虚拟漫游系统面临的问题是场景的真实度和整体布局设计。结合地形图、场景规划图和实际测量计算，用Auto CAD作整体布局设计，再利用3dsMax将CAD绘制的二维地形图和模型框架建成三维模型，导入VRP虚拟现实平台实现漫游和交互功能，用户可多视角地浏览场景全貌。通过与数据库连接，还可以了解场景信息、观看视频等。

1.1 基础数据准备

制作模型的数据准备包括搜集图纸、实地测量计算、拍摄照片等，然后用Auto CAD绘制地形和建筑模型的二维图形。由于受建筑物的高度、拍摄距离及相机自身成像特点的影响，拍摄的像片往往比例失调，须对每张图片使用图形处理软件Photoshop进行技术处理，如去除图片中的杂景、扭曲、光线阴暗，调整比例、色阶等。还有一些建筑因为建成时间久远，建筑墙体和配套设施老化，需要在Photoshop软件中对图像进行修复拼接处理，以便建模参考和做纹理贴图材质使用。

1.2 三维场景建模

结合前期收集到的建筑物数据和拍摄的图像，将Auto CAD中绘制场景二维平面图导入3dsMax做底图，在3dsMax中通过对底图上的建筑平面Extrude进行建筑物模型创建。针对建筑物不同的外形，运用修改器Modify面板中的Polygon对模型进行具体修改，获得准确的形状模型。对于复杂的建筑，还要通过插入顶点、连接、倒角、挤出等各种操作进一步细化，使模型与实际建筑相符。场景中的大部分建筑模型、地物模型均使用这样的方法建造，而作为场景装饰的花草树木、人物等，则采用Boarding和Doubleboarding技术进行建模，以减少场景模型的面数。采用Boarding方式建模时，模型命名需加前缀“bb-”，这样在交互场景中模型会跟随镜头改变角度。

1.3 模型及场景优化

过多的使用模型处理命令会大大增加模型的面数和点数，所以在建模时要注意优化，既方便材质的处理，又可提高系统整体运行速度。

模型的优化方法：①在维持模型显示效果的前提下，使用尽可能少的点、面和多边形；②尽量不使用布尔运算和切割工具，用增加点和点间连线的方法减少面的数量和出错的可能性；③不用或看不到的面全部删除掉；④尽量统一比例，减少组合阶段不必要的麻烦；⑤建模时数据的小数点位数不应太多，以提高运行速度。

场景优化方法：①将模型导入到VRP之前，对其相同材质的模型进行塌陷，并防止平移、旋转等操作时出现问题；②建模完成后对模型再次添加Editable Poly进行优化，并且根据不同建筑物的外观，采取相同建筑部件公共使用的原则，降低和减少在建模过程中的工作量和复杂程度。

1.4 纹理贴图

场景的模型可以用Polygon加纹理贴图的方法来代替精细模型。如果只展现模型外观，建筑的门窗、雨檐等都可以用纹理贴图代替，且不分离对象。用“UnwrapUVW”配合“UVWmaping”进行更精确的贴图操作，这样可以大大降低模型的个数和总面数。

1.5 材质烘焙及模型导出

通过上述方法建模后，还需要对模型进行烘焙。烘焙能把在非实时环境中渲染完成的灯光材质等效果转换到实时交互的环境中，即把3dsMax光照信息渲染成贴图，然后再把烘焙后的贴图回贴到场景中。尤其使用“多维/子对象”材质，在导入VRP的过程中会出现错误，需要通过烘焙才能成功地导出。由于烘焙纹理的质量直接影响最终效果，所以提高烘焙技术至关重要。烘焙时要考虑不同纹理贴图的分辨率大小，分组进行烘焙。玻璃、不锈钢、水等材质不需烘焙，在VRP中调节即可。

2 交互漫游的实现

虚拟漫游系统一般可完成场景的固定线路浏览和虚拟角色漫游等功能。

三维模型导入VRP后，先对部分材质进行调整，改变材质过滤方式，将不正常显示的透明材质改为“使用贴图Alpha”；对于Boarding和Double-Boarding方法创建的模型要进行双面渲染。

为了便于交互，要设计一个交互界面，放置按钮、操作提示信息、图形LOGO、导航图等，用户通过该界面可以轻松地对系统进行自由浏览和自主漫游。

2.1 角色与相机设置

在场景中添加相机，用来呈现漫游中所感受到的视觉效果。可以创建行走、飞行和动画相机，通过设置不同的相机水平角度、相机高度等属性（也可将行走相机绑定到场景中的人物或汽车上），实现固定线路游览，还可用飞行相机鸟瞰整个虚拟漫游场景的概貌。同时可在场景中创建角色，通过模仿真实的人物来达到场景虚拟漫游的效果，为角色绑定角色控制相机，然后用鼠标或键盘控制角色行走达到漫游效果。

2.2 鼠标事件和导航设置

在场景中设置相应的按钮并添加按钮的鼠标事件，通过脚本控制点击鼠标左键、右键或鼠标划过时进行各种操作。漫游者可以根据设定的按钮来更加直接、直观地选择并进行漫游活动。

导航图可使人物在虚拟场景漫游时更加具有方向感和方位感，并随时了解所处的位置。导航效果的制作关键是箭头游动范围边界坐标的确定，需在3dsMax中捕捉导航范围的坐标值。在VRP导航属性中将在3dsMax中记录的各个坐标值输入，完成实时导航效果的创建。用鼠标点击导航图中的某个点，可以快速地将角色切换到场景中的相应位置，提高了漫游效率，增强了交互性。

2.3 数据库连接

虚拟场景的交互功能是让用户不仅能够看到场景的外貌，还能了解到场景的相关信息，这些资源信息用Access数据库存储。在VRP平台中连接好数据库，并将建筑模型与数据库信息绑定，通过脚本设置信息显示窗口。在VRP场景运行时，可以点击场景中的某一建筑、物体或区域，实时查询相关信息。用户对数据库进行更新，场景内相应的信息也随之更新。

3 结语

以大庆师范学院主校区为原型，利用3dsMax构建三维模型，借助VR—Platform引擎交互漫游的功能优势，生成三维虚拟场景漫游系统。此类场景漫游系统既可以制作场景展示效果，又可以用于特殊场景的培训、演练等。此系统制作的经验和方法，可以广泛地应用于油田各个行业虚拟漫游系统的制作中，如石油勘探、石油开采、石油化工等行业的虚拟仿真系统，尤其是制作各行业的虚拟岗位培训，将是一种高水平、高效率、低费用的培训模式，虚拟现实技术在油田建设中有着广阔的应用前景。

（栏目主持 杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.013